XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Работы в области квантовой электроники – ​перспективное направление дальнейшего развития микро- и радиоэлектроники. Большое число исследовательских программ осуществляется в области квантовых технологий на уровне как отдельных стран («Национальная инициатива в области квантовых технологий» – ​National Quantum Initiative, США), так и межгосударственных объединений («Программа обеспечения лидерства в квантовой сфере» – ​Quantum Flagship program, ЕС). Так что же такое квантовая электроника? Где она принимает активное участие в жизни человека? Что она из себя представляет? Начнём по-порядку.

Квантовая электроника – это область науки и техники, исследующая и применяющая методы усиления и генерации электромагнитного излучения, основанные на использовании вынужденного излучения. С точки зрения классической электроники генерация электромагнитного излучения осуществляется за счёт кинетической энергии свободных электронов, согласованно движущихся в колебательном контуре. В соответствии с представлениями квантовой электроники энергия излучения берётся из внутренней энергии квантовых систем (атомов, молекул, ионов), высвобождаемой при излучательных переходах между её уровнями энергии. Излучательные переходы бывают двух видов –спонтанное излучение и вынужденное излучение. При спонтанном излучении возбуждённая система самопроизвольно, без внешних воздействий испускает фотон, характеристики которого (частота, поляризация, направление распространения) никоим образом не связаны с характеристиками фотонов, испускаемых другими частицами. Вынужденное (индуцированное) излучение возникает в результате согласованного по частоте и направлению почти одновременного испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов и молекул под действием внешнего электромагнитного поля. Вынужденное излучение может происходить в диапазонах радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света и УФ-излучения.

Рассмотрим переходы между уровнями энергии E_i и E_k характеризуемые частотой v, так что hv=E_i-E_k (h — постоянная Планка). Вероятности переходов определяются через, так называемые, Коэффициенты Эйнштейна A и B.

• Для спонтанных переходов w_ik^s = A_ik

• Для поглощения w_ik=A_ik,

• Для вынужденного излучения w_ik=B_ikp_v (p_v – спектральная объёмная плотность энергии).

При этом A_ik=B_ik8πhv³/c³

B_ki = B_ik = 32π³d²_ik/3h² (уровни считаются невырожденными). Изменение плотности энергии электромагнитной волны равно разности испускаемой и поглощаемой в вынужденных процессах энергии и пропорционально разности населённостей уровней

(n_i – n_k) hvB_ikp_v

В состоянии термодинамического равновесия населённости подчиняются распределению Больцмана, так что

n_i = n_kexp(-hv/kT)<n_k

Поэтому энергия поглощается системой и волна ослабляется. Чтобы волна усиливалась, необходимо, чтобы выполнялось условие n_i>n_k, то есть система оказалась в неравновесном состоянии. Такую ситуацию, когда населённость верхнего уровня больше, чем нижнего, называют инверсией населённостей, или системой с отрицательной температурой. Это состояние системы характеризуется отрицательным значением показателя поглощения, то есть происходит усиление электромагнитной волны.

Исторически первыми генераторами индуцированного излучения являлись генераторы в СВЧ-диапазоне (1954—55 гг.). Такиеприборыполучилиназвание «мазер» (MASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Следующий, естественный для развития квантовой электроники шаг был сделан в направлении освоения коротковолнового, оптического диапазона. В августе 1960 г. Теодор Мейман (США) впервые наблюдал импульсную генерацию когерентного излучения с лямбда=0,69 мкм в кристалле рубина. Созданный им прибор, названный лазером (LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), открыл новую эру в развитии квантовой электроники. 60-е годы ХХ века ознаменовались бурным поиском новых лазерных активных сред. Примерно за десять лет была получена генерация в большинстве известных активных средах и перекрыт диапазон длин волн генерации от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ). С появлением лазера наука и техника получили в свое распоряжение качественно новый источник оптического излучения, характеризующийся огромной яркостью, высокой степенью направленности, монохроматичности и когерентности. Квантовая электроника неразрывно связана с таким направление электроники, как оптоэлектроника. Согласно определения, данного в большой советской энциклопедии, оптоэлектроника – это направление электроники, охватывающее вопросы использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации. Оптоэлектроника возникла как этап развития радиоэлектроники и вычислительной техники, тенденцией которых является непрерывное усложнение систем при возрастании их информационных и технико-кономических показателей, таких как надежность, быстродействие, уменьшение массогабаритов. Оптоэлектроника получила интенсивное развитие в 60-е годы после открытия лазеров, полупроводниковых излучающих диодов, волоконной оптики. Оптоэлектроника отличается от вакуумной и полупроводниковой электроники наличием в цепи сигнала оптического звена или оптической (фотонной) связи. Основными элементами в оптоэлектронике являются:

Источники света (излучатели), преобразующие электрические сигналы в потоки фотонов – в первую очередь это лазеры и светодиоды;

Оптические среды (в частном случае линии связи); они могут быть как пассивными, так и активными;

Фотоприемники (датчики) для преобразования световых сигналов в электрические (фотоэлементы, ФЭУ, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и т. Д.);

Благодаря таким особенностям оптических колебаний, как электрическая нейтральность, однонаправленность потока фотонов, высокая частота колебаний, когерентность и др., оптическая связь имеет очевидные преимущества по сравнению с электрической. Световой луч можно сфокусировать на площадку, размеры которой сравнимы с длиной волны, что позволяет резко повысить плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах (до величины примерно 10^8 бит/см²). Большие коэффициенты усиления ряда активных сред позволяют использовать их в качестве усилителей яркости в лазерных проекционных микроскопах и средствах визуализации быстропротекающих процессов. Физические процессы при взаимодействии световых полей с веществами служат источником информации при диагностике различных сред. Причем в ряде случаев возможно дистанционное получение информации об объекте исследования.

Квантовую электронику можно использовать во многих отраслях жизнедеятельности:

Мазеры позволили улучшить чувствительность и стабильность работы радиоустройств, что нашло применение в радиоастрономии (открытие реликтового излучения и межзвёздного водорода) и космической связи.

Лазеры позволили достичь напряжённостей электрического поля, сравнимых с внутриатомными, при которых свойства вещества начинают зависеть от интенсивности световой волны: проявляются эффекты нелинейной оптики. Они позволяют исследовать вещество и управлять характеристиками светового пучка (многофотонные процессы, явления насыщения и резонансного просветления, генерация гармоник, суммарной и разностной частоты, параметрическая генерация света, явления самофокусировки, вынужденное рассеяние света и т. Д.)

Лазеры используются для создания и управления высокотемпературной плазмы, в том числе для целей термоядерного синтеза.

Квантовая электроника привела к существенному повышению разрешения спектроскопических систем (лазерная спектроскопия).

Монохроматичность лазерного излучения даёт возможность селективного воздействия на вещество, что находит применение в фотохимии и фотобиологии, лазерной очистке и лазерном разделении изотопов.

Использование квантовой электроники в метрологии для создания квантовых стандартов частоты и времени, лазерных дальномеров, систем дистанционного химического анализа, лазерной локации.

Лазеры широко используются в системах оптической связи и обработки информации, в которых сочетаются принципы волоконной и интегральной оптики.

Высокая степень когерентности лазерных источников позволила осуществить идею голографии и голографических приборов.

Лазеры находят множество применений в медицине (хирургия, офтальмология и т. Д.) и технологии (сварка, резка и т. Д.).

Список литературы

Квантовая электроника: Маленькая энциклопедия. — М.: СЭ, 1969.

А. Пекара. Новый облик оптики. — М.: Советское радио, 1973.

Н. В. Карлов. Квантовая электроника. // Физика микромира: Маленькая энциклопедия. — М.: СЭ, 1980. — С. 200—217.

М. Е. Жаботинский. Квантовая электроника. Архивная копия от 4 октября 2009 на Wayback Machine // Физическая энциклопедия. — Т. 2 — М.: СЭ, 1990. — С. 319—320.

Н.В. Карлов, А. А. Маненков. Квантовые усилители. – М.:1966

Код для цитирования: Скопировать